世界上第一台產(chan) 生“超手性光”的超表麵激光器誕生：具有超高角動量的光。來自該激光器的光，可以用作光通信中的一種“光學扳手”，或用於(yu) 對信息進行編碼。領導這項研究的南非約翰內(nei) 斯堡威特沃特斯蘭(lan) 德大學(Wits)物理學院的安德魯·福布斯教授說：因為(wei) 光可以攜帶角動量，這意味著這可以轉移到物質上，光攜帶的角動量越多，它可以傳(chuan) 遞的越多。

所以你可以把光想象成一把‘光學扳手’，而不是使用物理扳手擰東(dong) 西(如擰螺母)，現在你可以用光線照射螺母，它會(hui) 自動擰緊。新激光器產(chan) 生一種新的高純度“扭曲光”，這是以前從(cong) 激光器中觀察不到的，其中包括激光器報告的最高角動量。同時，研究人員開發了一種納米結構的亞(ya) 表麵，它具有有史以來最大的相位梯度，並允許在微型設計中進行高功率操作，這意味著這是一種世界上第一台激光器

可以根據需要產(chan) 生奇異的扭曲結構光狀態，其研究成果發表在《自然光子學》期刊上。該研究是WITS與(yu) 南非科學與(yu) 工業(ye) 研究委員會(hui) (CSIR)、美國哈佛大學、新加坡國立大學、比利時布魯塞爾Vrije University和CNST-Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia通過Giovanni Pascoli(意大利)合作完成。這是一種新的激光，可以產(chan) 生任何所需的手性光狀態。並完全控製光的角動量(AM)分量、光的自旋(偏振)和軌道角動量(OAM)。

由哈佛大學研究小組設計的新型納米尺寸（比人類頭發的寬度小1000倍）亞(ya) 表麵在激光器中提供了完全的控製，使得激光設計成為(wei) 可能。超表麵是由許多微小納米材料棒組成，當光線通過時，它們(men) 會(hui) 改變光線，光多次穿過變形曲麵，每次都會(hui) 接收新的扭曲。特別之處在於(yu) ，對於(yu) 光來說，這種材料具有在自然界中找不到的特性。因此被稱為(wei) “超材料”，這是一種虛構的材料，因為(wei) 這種結構非常小，所以隻出現在表麵上，形成一個(ge) 超表麵。

其結果是產(chan) 生了新形式的手性光，到目前為(wei) 止還沒有從(cong) 激光上觀察到，並在光源上完全控製了光的手性，結束了一項開放的挑戰。目前有一股強大的驅動力，試圖用扭曲光來控製手性物質，而要做到這一點，需要扭曲程度非常高的光：超手性光。各個(ge) 行業(ye) 和研究領域都需要超手征光來改進工藝，包括食品、計算機和生物醫藥行業(ye) 。在物理機械係統無法工作的地方，可以用這種類型的光驅動齒輪，比如在微流控係統中驅動流量。

手性挑戰

研究的目標是在芯片上而不是在大型實驗室裏進行藥物治療，通常被稱為(wei) 芯片上實驗室。因為(wei) 一切都很小，所以光被用來控製：移動東(dong) 西並對東(dong) 西進行分類，比如好的和壞的細胞。扭曲的光可以用來驅動微型齒輪來推動流動，並用光來模擬離心機。“手性”是化學中經常使用的一個(ge) 術語，用來描述作為(wei) 彼此鏡像的化合物。這些化合物有一種“慣用手”，可以被認為(wei) 是左撇子或右撇子。例如，檸檬和橙子是味道相同的化合物，隻是它們(men) 的“慣用手”不同。

光也是有手性的，但有兩(liang) 種形式：自旋(偏振)和OAM。自旋AM類似於(yu) 圍繞自己軸旋轉的行星，而OAM類似於(yu) 繞太陽運行的行星。在光源上控製光的手性，是一項具有挑戰性的任務，也是一項高度專(zhuan) 題性的任務，因為(wei) 需要它的應用很多，從(cong) 手性物質的光學控製，到計量學，再到通信。完全的手性控製意味著可以控製光的全部角動量、偏振和OAM。由於(yu) 設計限製和實現障礙，到目前為(wei) 止，隻產(chan) 生了非常小的手性態子集。

變形表麵激光器

研究已經設計出巧妙的方案，可以控製OAM光束的螺旋度(自旋和直線運動的組合)，但它們(men) 也僅(jin) 限於(yu) 這組對稱的模式。到目前為(wei) 止，還不可能寫(xie) 下一些所需的光手性狀態，然後用激光器產(chan) 生它。該激光器使用變形表麵使光具有超高的角動量，在相位上有前所未有的“扭曲”，同時也控製了偏振。通過任意的角動量控製，可以打破標準的自旋-軌道對稱性，使第一個(ge) 激光器在光源處產(chan) 生完全的光角動量控製。

這種準表麵是由精心製作的納米結構製成，以產(chan) 生所需的效果，是迄今為(wei) 止製造的最極端OAM結構，具有迄今最高的相位梯度。亞(ya) 表麵的納米分辨率使低損耗、高損傷(shang) 閾值的高質量渦旋成為(wei) 可能，使激光成為(wei) 可能。結果是一種激光器可以同時在10和100的OAM狀態上產(chan) 生激光，以獲得迄今為(wei) 止最高的AM。在變形表麵被設置為(wei) 產(chan) 生對稱狀態的特殊情況下，激光器然後產(chan) 生從(cong) 定製結構光激光器所有先前的OAM狀態。

展望未來

研究發現特別令人興(xing) 奮的是：該方法適用於(yu) 許多激光架構。例如，可以增加增益體(ti) 積和變形表麵大小，以生產(chan) 高功率的塊狀激光器，或者可以將係統縮小到使用單片變形表麵設計的芯片上。在這兩(liang) 種情況下，激光模式都將由泵浦的偏振來控製，除了亞(ya) 表麵本身，不需要腔內(nei) 元件。研究代表著朝著將塊狀激光器的研究與(yu) 片上器件研究相結合邁出了重要的一步。